Teorija superstrun, v popularnem jeziku, predstavlja vesolje kot zbirko vibrirajočih strun energije - strun. So temelj narave. Hipoteza opisuje tudi druge elemente – brane. Vsa snov v našem svetu je sestavljena iz vibracij strun in branov. Naravna posledica teorije je opis gravitacije. Zato znanstveniki verjamejo, da ima ključ do poenotenja gravitacije z drugimi silami.
Koncept se razvija
Enotna teorija polja, teorija superstrun, je zgolj matematična. Kot vsi fizični koncepti temelji na enačbah, ki jih je mogoče razlagati na določene načine.
Danes nihče ne ve natančno, kakšna bo končna različica te teorije. Znanstveniki imajo precej nejasno predstavo o njegovih splošnih elementih, vendar nihče še ni prišel do dokončne enačbe, ki bi zajela vse teorije superstrun, in je eksperimentalno še ni uspelo potrditi (čeprav tudi ne ovreči). Fiziki so ustvarili poenostavljene različice enačbe, vendar zaenkrat še ni povsem opisala našega vesolja.
Teorija superstrun za začetnike
Hipoteza temelji na petih ključnih idejah.
- Teorija superstrun predvideva, da so vsi predmeti v našem svetu sestavljeni iz vibrirajočih filamentov in energijskih membran.
- Poskuša združiti splošno relativnost (gravitacijo) s kvantno fiziko.
- Teorija superstrun bo združila vse temeljne sile vesolja.
- Ta hipoteza napoveduje novo povezavo, supersimetrijo, med dvema bistveno različnima vrstama delcev, bozoni in fermioni.
- Koncept opisuje številne dodatne, običajno neopazne dimenzije vesolja.
Strune in brane
Ko se je teorija pojavila v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, so se niti energije v njej štele za enodimenzionalne objekte – strune. Beseda "enodimenzionalen" pomeni, da ima niz samo 1 dimenzijo, dolžino, za razliko od na primer kvadrata, ki ima tako dolžino kot višino.
Teorija te superstrune deli na dve vrsti - zaprte in odprte. Odprta vrvica ima konce, ki se ne dotikajo drug drugega, zaprta vrvica pa je zanka brez odprtih koncev. Posledično je bilo ugotovljeno, da so ti nizi, imenovani nizi prve vrste, predmet 5 glavnih vrst interakcij.
Interakcije temeljijo na zmožnosti niza, da poveže in loči svoje konce. Ker se lahko konci odprtih strun združijo v zaprte strune, je nemogoče zgraditi teorijo superstrun, ki ne vključuje zank.
To se je izkazalo za pomembno, saj imajo zaprte strune lastnosti, menijo fiziki, ki bi lahko opisali gravitacijo. Z drugimi besedami, znanstvenikispoznal, da lahko teorija superstrun namesto razlage delcev materije opiše njihovo vedenje in gravitacijo.
Po dolgih letih se je izkazalo, da so za teorijo poleg strun potrebni tudi drugi elementi. Lahko si jih predstavljamo kot rjuhe ali brane. Vrvice lahko pritrdite na eno ali obe strani.
Kvantna gravitacija
Sodobna fizika ima dva glavna znanstvena zakona: splošno relativnost (GR) in kvantno. Predstavljajo popolnoma različna področja znanosti. Kvantna fizika proučuje najmanjše naravne delce, GR pa praviloma opisuje naravo na lestvici planetov, galaksij in vesolja kot celote. Hipoteze, ki jih poskušajo poenotiti, se imenujejo kvantne teorije gravitacije. Danes najbolj obetavna med njimi je vrvica.
Zaprte niti ustrezajo obnašanju gravitacije. Zlasti imajo lastnosti gravitona, delca, ki prenaša gravitacijo med predmeti.
Združevanje sil
Teorija strun poskuša združiti štiri sile - elektromagnetne, močne in šibke jedrske sile ter gravitacijo - v eno. V našem svetu se kažejo kot štirje različni pojavi, vendar teoretiki strun verjamejo, da so v zgodnjem vesolju, ko so bile neverjetno visoke ravni energije, vse te sile opisane s strunami, ki medsebojno delujejo.
Supersimetrija
Vse delce v vesolju lahko razdelimo na dve vrsti: bozone in fermione. Teorija strunnapoveduje, da med njima obstaja razmerje, imenovano supersimetrija. V supersimetriji mora obstajati fermion za vsak bozon in bozon za vsak fermion. Žal obstoj takšnih delcev ni bil eksperimentalno potrjen.
Supersimetrija je matematično razmerje med elementi fizikalnih enačb. Odkrili so ga na drugem področju fizike, njegova uporaba pa je privedla do preimenovanja supersimetrične teorije strun (ali teorije superstrun, v ljudskem jeziku) sredi sedemdesetih let prejšnjega stoletja.
Ena od prednosti supersimetrije je, da močno poenostavi enačbe, saj omogoča izločitev nekaterih spremenljivk. Brez supersimetrije enačbe vodijo do fizičnih protislovij, kot so neskončne vrednosti in namišljene energetske ravni.
Ker znanstveniki niso opazili delcev, ki jih predvideva supersimetrija, je to še vedno hipoteza. Mnogi fiziki menijo, da je razlog za to potreba po znatni količini energije, ki je z maso povezana s slavno Einsteinovo enačbo E=mc2. Ti delci bi lahko obstajali v zgodnjem vesolju, a ko se je ohladilo in se je energija razširila po velikem poku, so se ti delci premaknili na nizko energijsko raven.
Z drugimi besedami, strune, ki so vibrirale kot visokoenergetski delci, so izgubile svojo energijo in jih spremenile v elemente nižje vibracije.
Znanstveniki upajo, da bodo astronomska opazovanja ali poskusi s pospeševalniki delcev potrdili teorijo z razkritjem nekaterih supersimetričnih elementov z višjimenergija.
Dodatne mere
Druga matematična posledica teorije strun je, da je smiselna v svetu z več kot tremi dimenzijami. Trenutno obstajata dve razlagi za to:
- Dodatne dimenzije (od tega šest) so se sesedle ali, v terminologiji teorije strun, stisnjene na neverjetno majhne velikosti, ki jih nikoli ne bomo zaznali.
- Obtičali smo v 3D brani, druge dimenzije pa segajo onkraj nje in so nam nedostopne.
Pomembna smer raziskav med teoretiki je matematično modeliranje, kako bi te dodatne koordinate lahko bile povezane z našimi. Najnovejši rezultati napovedujejo, da bodo znanstveniki kmalu lahko odkrili te dodatne dimenzije (če obstajajo) v prihajajočih poskusih, saj so morda večje od pričakovanih.
Razumevanje namena
Cilj, h kateremu znanstveniki stremijo pri raziskovanju superstrun, je "teorija vsega", torej ena sama fizična hipoteza, ki opisuje celotno fizično realnost na temeljni ravni. Če bo uspešen, bi lahko razjasnil številna vprašanja o strukturi našega vesolja.
Razlaga snovi in mase
Ena od glavnih nalog sodobnih raziskav je iskanje rešitev za resnične delce.
Teorija strun se je začela kot koncept, ki opisuje delce, kot so hadroni v različnih višjih vibracijskih stanjih strune. V večini sodobnih formulacij je zadeva opažena v našemvesolja, je posledica vibracij strun in branov z najnižjo energijo. Višje vibracije ustvarjajo visokoenergijske delce, ki trenutno ne obstajajo v našem svetu.
Masa teh osnovnih delcev je manifestacija tega, kako so strune in brane zavite v kompaktne dodatne dimenzije. Na primer, v poenostavljenem primeru, ko so zloženi v obliko krofa, ki jo matematiki in fiziki imenujejo torus, lahko vrvica to obliko ovije na dva načina:
- kratka zanka skozi sredino torusa;
- dolga zanka okoli celotnega zunanjega oboda torusa.
Kratka zanka bo lahek delec, velika zanka pa težka. Z ovijanjem strun okoli toroidnih kompaktnih dimenzij nastanejo novi elementi z različnimi masami.
Teorija superstrun jedrnato in jasno, preprosto in elegantno pojasnjuje prehod dolžine v maso. Zložene dimenzije so tukaj veliko bolj zapletene kot torus, vendar načeloma delujejo na enak način.
Možno je celo, čeprav si je težko predstavljati, da se vrvica ovija okoli torusa v dveh smereh hkrati, kar ima za posledico drugačen delec z različno maso. Branes lahko zavijejo tudi dodatne dimenzije in ustvarijo še več možnosti.
Določanje prostora in časa
V mnogih različicah teorije superstrun se dimenzije sesedejo, zaradi česar jih na trenutni ravni razvoja tehnologije ni mogoče opaziti.
Trenutno ni jasno, ali lahko teorija strun pojasni temeljno naravo prostora in časaveč kot Einstein. V njem so meritve ozadje za interakcijo strun in nimajo samostojnega pravega pomena.
Ponujena so bila pojasnila, ki niso v celoti razvita, glede predstavitve prostora-časa kot izpeljanke skupne vsote vseh interakcij nizov.
Ta pristop ne ustreza idejam nekaterih fizikov, kar je privedlo do kritike hipoteze. Konkurenčna teorija kvantne gravitacije zanke uporablja kvantizacijo prostora in časa kot izhodišče. Nekateri verjamejo, da bo na koncu le drugačen pristop k isti osnovni hipotezi.
Kvantizacija gravitacije
Glavni dosežek te hipoteze, če bo potrjena, bo kvantna teorija gravitacije. Trenutni opis gravitacije v splošni relativnosti ni v skladu s kvantno fiziko. Slednje z nalaganjem omejitev obnašanju majhnih delcev vodi v protislovja, ko poskušamo raziskati Vesolje v izjemno majhnem obsegu.
Združevanje sil
Trenutno fiziki poznajo štiri temeljne sile: gravitacijo, elektromagnetno, šibko in močno jedrsko interakcijo. Iz teorije strun sledi, da so bili vsi nekoč manifestacije enega.
Po tej hipotezi se je ta enotna interakcija, odkar se je zgodnje vesolje po velikem poku ohladilo, začela razpadati na različne, ki so aktivne danes.
Poskusi visoke energije nam bodo nekega dne omogočili, da odkrijemo združitev teh sil, čeprav takšni poskusi daleč presegajo trenutni razvoj tehnologije.
Pet izbir
Po revoluciji superstrun leta 1984 je razvoj potekal z vročino. Kot rezultat, je namesto enega koncepta nastalo pet, poimenovanih tipov I, IIA, IIB, HO, HE, od katerih je vsak skoraj v celoti opisal naš svet, vendar ne v celoti.
Fiziki, ki prebirajo različice teorije strun v upanju, da bodo našli univerzalno resnično formulo, so ustvarili 5 različnih samozadostnih različic. Nekatere njihove lastnosti so odražale fizično realnost sveta, druge niso ustrezale realnosti.
M-teorija
Na konferenci leta 1995 je fizik Edward Witten predlagal drzno rešitev problema petih hipotez. Na podlagi na novo odkrite dvojnosti so vsi postali posebni primeri enega samega vsesplošnega koncepta, imenovanega Wittenova M-teorija superstrun. Eden od njegovih ključnih konceptov so bile brane (okrajšava za membrana), temeljni objekti z več kot eno dimenzijo. Čeprav avtor ni ponudil polne različice, ki še ni na voljo, je M-teorija superstrun na kratko sestavljena iz naslednjih funkcij:
- 11-dimenzija (10 prostorskih plus 1 časovna dimenzija);
- dvojnosti, ki vodijo do petih teorij, ki pojasnjujejo isto fizično realnost;
- brane so strune z več kot 1 dimenzijo.
posledice
Kot rezultat, je bilo namesto ene 10500 rešitev. Nekaterim fizikom je to povzročilo krizo, drugi pa so sprejeli antropični princip, ki razlaga lastnosti vesolja z našo prisotnostjo v njem. Kdaj bodo teoretiki našli drugega, je treba še videtinačin orientacije v teoriji superstrun.
Nekatere interpretacije kažejo, da naš svet ni edini. Najbolj radikalne različice omogočajo obstoj neskončnega števila vesolj, od katerih nekatera vsebujejo natančne kopije našega lastnega.
Einsteinova teorija napoveduje obstoj zvitega prostora, ki se imenuje črvina ali Einstein-Rosenov most. V tem primeru sta dve oddaljeni mesti povezani s kratkim prehodom. Teorija superstrun ne omogoča le tega, temveč tudi povezavo oddaljenih točk vzporednih svetov. Možen je celo prehod med vesolji z različnimi zakoni fizike. Vendar pa je verjetno, da bo kvantna teorija gravitacije onemogočila njihov obstoj.
Mnogi fiziki verjamejo, da bo holografsko načelo, ko vse informacije, ki jih vsebuje prostornina prostora, ustrezale informacijam, zapisanim na njegovi površini, omogočilo globlje razumevanje koncepta energijskih niti.
Nekateri verjamejo, da teorija superstrun omogoča več razsežnosti časa, kar bi lahko povzročilo potovanje skozi njih.
Poleg tega v okviru hipoteze obstaja alternativa modelu velikega poka, po katerem se je naše vesolje pojavilo kot posledica trka dveh branov in gre skozi ponavljajoče se cikle ustvarjanja in uničenja.
Končna usoda vesolja je vedno zanimala fizike, končna različica teorije strun pa bo pomagala določiti gostoto snovi in kozmološko konstanto. Ob poznavanju teh vrednosti lahko kozmologi ugotovijo, ali bo vesoljeskrči, dokler ne eksplodira, da se vse začne znova.
Nihče ne ve, kam lahko pripelje znanstvena teorija, dokler ni razvita in preizkušena. Einstein, ki je zapisal enačbo E=mc2, ni pričakoval, da bo to vodilo do pojava jedrskega orožja. Ustvarjalci kvantne fizike niso vedeli, da bo postala osnova za ustvarjanje laserja in tranzistorja. In čeprav še ni znano, do česa bo pripeljal tak čisto teoretični koncept, zgodovina kaže, da se bo zagotovo izkazalo nekaj izjemnega.
Za več o tej domnevi si oglejte Teorijo superstrun za lutke Andrewa Zimmermana.
